本研究探討了添加二氧化硅氣凝膠對暴露于不同環(huán)境的水泥基傳感器的電學(xué)和壓阻式傳感穩(wěn)定性的影響源哩。使用50%的水泥和50%粉煤灰作為粘結(jié)劑材料，以及0.5%碳納米管（CNT）作為導(dǎo)電填料制造的水泥基傳感器。加入3種不同含量的二氧化硅氣凝膠（0谓着、0.25和0.5%（按粘結(jié)劑質(zhì)量計）泼诱，將樣品暴露于不同的水分狀態(tài)和環(huán)境下赊锚，包括進水和循環(huán)加熱條件，來觀察其電穩(wěn)定性舷蒲。結(jié)果表明耸袜，添加具有超疏水性和低導(dǎo)熱性能的二氧化硅氣凝膠減輕了CNT顆粒在進水和循環(huán)加熱條件下的干擾牲平，提高了電穩(wěn)定性纵柿◎谧ィ基于長期傳感結(jié)果昂儒，可以觀察到施加Max壓縮載荷時的電穩(wěn)定性。結(jié)果表明渊跋，適當(dāng)添加二氧化硅氣凝膠提高了長期傳感穩(wěn)定性腊嗡，而過量添加二氧化硅氣凝膠會誘發(fā)團聚拾酝，影響長期傳感穩(wěn)定性。從實驗結(jié)果可以看出蒿囤，具有超疏水性和低導(dǎo)熱性能的二氧化硅氣凝膠可以成為提高水泥基傳感器在各種環(huán)境條件下的電學(xué)和壓阻傳感穩(wěn)定性的解決方案棺亭。
拉曼在添加二氧化硅氣凝膠對暴露于不同環(huán)境的CNT嵌入式水泥基傳感器的電學(xué)和壓阻式傳感穩(wěn)定性的影響中的應(yīng)用
引言：水泥基材料通常用于建筑，但當(dāng)暴露于不同的環(huán)境因素時凄敢，它們會產(chǎn)生裂縫。因此涝缝，人們采用了各種監(jiān)測這些材料結(jié)構(gòu)健康狀況的方法，并統(tǒng)稱為SHM 罐氨。近年來，研究人員通過在水泥基材料中添加導(dǎo)電材料滩援，利用導(dǎo)電水泥復(fù)合材料的開發(fā)了水泥基傳感器栅隐。這些傳感器已被建議用于 SHM玩徊。這些水泥基傳感器與土木結(jié)構(gòu)的兼容性及其經(jīng)濟性使其在建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。有人通過添加1.0 wt%的石墨烯來制造石墨烯/水泥基傳感器恩袱，當(dāng)給其施加5 MPa的壓縮應(yīng)力時泣棋，電阻（FCR）的分數(shù)變化約為8%畔塔。有人通過加入0.5%的碳納米管（CNT）制造了水泥基傳感器潭辈，當(dāng)施加11.5 MPa的壓應(yīng)力時澈吨，傳感器顯示出約10%的FCR。此外棚辽，還有人開發(fā)了基于薄壁碳納米管（TWCNT）嵌入的超高性能混凝土基（UPPC）傳感器技竟，無論加載水平、頻率和周期如何榔组，都表現(xiàn)出穩(wěn)定的傳感性能。
與此同時联逻，zui近有報道稱，水泥基傳感器的電導(dǎo)率和壓阻傳感能力受到各種環(huán)境條件的影響包归，例如傳感器內(nèi)部的水分含量锨推、暴露溫度升高、凍融循環(huán)和進水等换可。有研究報道椎椰，進水會降低CNT/水泥復(fù)合材料的壓阻傳感能力慨飘。有報告稱水泥基傳感器在富氯和潮濕環(huán)境下的壓阻能力译荞，發(fā)現(xiàn)氯離子溶液和濕度會顯著影響壓阻能力瓤的。有報告系統(tǒng)地研究了采用CNT的水泥基傳感器在高溫下的壓阻傳感能力吞歼。此外，還有人研究發(fā)現(xiàn)碳化篙骡、氯滲透稽坤、硫酸鹽侵蝕和凍融等各種劣化條件也會對導(dǎo)電水泥復(fù)合材料的電學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響，這可能導(dǎo)致壓阻傳感能力的變化。
雖然許多研究探討了環(huán)境條件對導(dǎo)電水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電性和壓阻傳感能力的影響老虫，但對提高其電阻和壓阻傳感穩(wěn)定性的關(guān)注有限叶骨。因此祈匙，本研究旨在確定在一種不同的環(huán)境條件下提高這些復(fù)合材料的穩(wěn)定性的潛在解決方案忽刽。采用碳納米管被用作導(dǎo)電填料來制備導(dǎo)電水泥復(fù)合材料夺欲，并引入二氧化硅氣凝膠作為提高其電穩(wěn)定性和傳感穩(wěn)定性的新方法。該研究系統(tǒng)地研究了不同量的二氧化硅氣凝膠對復(fù)合材料電學(xué)特性的影響些阅，以及在不同條件下對提高其電穩(wěn)定性和傳感穩(wěn)定性的影響伞剑。
本文使用FT-IR和拉曼光譜分析研究了CNT和二氧化硅氣凝膠（CNT@Aerogel）團簇的形成市埋，這些團簇已被證明可以提高樣品在各種環(huán)境條件下的電穩(wěn)定性黎泣，如圖1缤谎。在圖1a中，觀察到CNT坷澡、氣凝膠和CNT@Aerogel團簇的FT-IR光譜托呕。碳納米管光譜在1089 cm-1、1382 cm-1馅扣、1635 cm-1和3432 cm-1處均有顯著的峰值呆抑，可分別對應(yīng)于C-O鍵拉伸振動岂嗓、C-N鍵拉伸振動鹊碍、O-H鍵變形振動厌殉、芳香族C=C拉伸振動和O-H拉伸振動侈咕。氣凝膠光譜在1089 cm-1、1255 cm-1耀销、1382 cm-1楼眷、1635 cm-1、1706 cm-1和3438 cm-1處均表現(xiàn)出主峰罐柳，分別對應(yīng)C-O鍵拉伸振動、C-N鍵拉伸振動狰住、O-H鍵變形振動、芳香族C=C拉伸振動催植、C=O拉伸振動和O-H拉伸振動肮蛹。在圖1a中，分別在CNT和氣凝膠的FT-IR光譜中發(fā)現(xiàn)了一些含氧官能團伦忠，表明它們可以很容易形成氫鍵。CNT@Aerogel的FT-IR光譜驗證了這一點稿辙，該光譜顯示了它們各自特征的疊加。
圖 1. 碳納米管邻储、氣凝膠和CNT@氣凝膠顆粒的（a）傅里葉變換紅外光譜和 （b） 拉曼光譜未桥。
圖1b分別顯示了CNT和CNT@Aerogel的拉曼光譜芥备。光譜結(jié)果表明冬耿，CNT和CNT@Aerogel的D峰分別在1348和1350 cm-1處萌壳，G峰在1583和1593 cm-1處。D峰與G峰的比值（ID/IG）從1.12變?yōu)?.21（圖1b）缤骨，表示CNT和二氧化硅氣凝膠的結(jié)晶度爱咬。基于這些分析可以得出精拟，CNT顆粒與二氧化硅氣凝膠有效雜化，形成了CNT@Aerogel團簇虱歪。而在進水和循環(huán)加熱條件下蜂绎，形成的CNT@Aerogel團簇可以有效地阻止水分子的滲透和CNT顆粒的膨脹笋鄙，從而提高樣品的電穩(wěn)定性。
通過對CNT和CNT@Aerogel嵌入式水泥基傳感器的交流電阻抗萧落、進水條件践美、循環(huán)加熱等條件下數(shù)據(jù)的分析，可以得出添加二氧化硅氣凝膠對暴露于不同環(huán)境的CNT嵌入式水泥基傳感器的電學(xué)和壓阻傳感穩(wěn)定性具有顯著影響陨倡。本研究的主要發(fā)現(xiàn)可歸納如下：
(1)傅里葉變換紅外和拉曼光譜測試結(jié)果表明，二氧化硅氣凝膠的加入導(dǎo)致了CNT@Aerogel團簇的形成许布。
(2)二氧化硅氣凝膠具有超疏水性和低導(dǎo)熱性兴革，有助于Max限度地減少碳納米管顆粒的干擾爹脾，從而增強電穩(wěn)定性箕昭。
(3)適當(dāng)添加二氧化硅氣凝膠可提高長期傳感穩(wěn)定性灵妨。然而，過量的二氧化硅氣凝膠會誘發(fā)團聚物泌霍，這可能會降低長期傳感穩(wěn)定性。
(4)總體而言述召，二氧化硅氣凝膠的添加顯示出提高水泥基傳感器在不同環(huán)境條件下的傳感穩(wěn)定性的潛力朱转，這是通過開發(fā)CNT@Aerogel簇和利用二氧化硅氣凝膠的特性來維持基于CNT的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的积暖。
文章信息：該成果以“Impact of silica aerogel addition on the electrical and piezo-resistive sensing stability of CNT-embedded cement-based sensors exposed to varied environments”為題發(fā)表在知名期刊Journal of Building Engineering 上夺刑，韓國科學(xué)技術(shù)院Daeik Jang等所作缅疟。
本研究采用的是Nanobase的XperRam s共聚焦顯微拉曼光譜儀系統(tǒng)。
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